张明波 王磊 黄鋆 李知承 吴贵芳

摘 要：主要介绍由STM32为核心部件设计形成的智能自平衡立方体系统，本系统主要由四大模块组成，分别是主控模块、电源模块、带动量轮电机模块和MPU6050模块，并通过姿态解算与电机控制程序，配合自抗扰控制算法实现立方体单边自动平衡，实验表明，该系统能够满足自平衡的需求，且成本低，实现简单。

关键词：自平衡立方体，动量轮，模块设计

1引言

目前控制领域的物体自平衡是单片机开发的重要应用之一，且取得了显著的成果。一般的自平衡项目选择开发平衡小车，使用加速度传感器、倾角传感器、超声波传感器、电机控制等模块协同配合，通过车整体的前后运动达到自平衡的目的。本次设计的自平衡立方体在包含加速度传感器、倾角传感器、一般电机模块外，额外使用了动量轮作为立方体平衡的动力来源，取代平衡小车整体移位的平衡方式，采用角动量传递保持自身平衡。

该系统主要包括四大模块，分别是主控模块、电源模块、电机驱动模块和MPU6050模块。

2系统各模块设计

2.1主控模块

STM32F103RCT6是一种嵌入式-微控制器的集成电路，基于使用Cortex-M3内核，是一个32位处理器内核，采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖，可以满足自平衡立方体的控制需求。

2.2电源模块

电源模块方块采用12V航模电池作为初始电源，经LM2596T芯片转换后为系统提供稳定的5V电压输出，为后续的各个模块供电

2.3电机驱动模块

TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个电机。它无需外加散热片，外围电路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，利于减小系统尺寸。对于PWM信号输入频率范围，高达100kHz的频率更是足以满足我们大部分的需求。AO1和AO2分别接到电机的+和-。然后通过PWMA、AIN2、AIN1控制电机。其中PWMA接到单片机的PWM引脚，一般10Khz的PWM即可，并通过改变占空比来调节电机的速度。本项目开发仅使用其中一路驱动。

2.4 MPU6050模块

MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。芯片也包含丰富的软件封装库，开发较简单。

3系统控制算法设计

系统采用自抗扰控制算法，该算法是以系统设定值、系统被控输出和上一步计算出的控制量为其输入，确定出新的控制量的控制方法，由跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈构成。自抗扰的机理在于将作用于被控对象的所有不确定因素归结为扰动，利用对象的输入输出数据对总扰动进行估计补偿，如图1所示。

本文设计了一种自平衡立方体，从硬件、软件以及算法分别进行研究，通过姿态解算与PWM电机控制程序，配合自抗扰控制算法实现立方体单边自动平衡。本设计成本较低，具有较好的人机交互特性，调节简单等优点。

参考文献

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作者简介：张明波（2000.04-），男，汉族，山西长治人，本科生。

河南科技大学SRTP项目基金支持：2021094

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